Roboter steuern im Schlaf

Eigentlich ist es schon lange bekannt: Wenn man ein Kleinkind in einer Wiege schaukelt, dann schl?ft es leichter ein. Regelm?ssige Bewegungen, etwa in einer H?ngematte oder in einem fahrenden Zug, helfen auch Erwachsenen beim Einschlafen. Doch wie genau solche Bewegungen wirken und ob sie Menschen mit einer Schlafst?rung helfen k?nnten, wurde erstaunlicherweise noch kaum untersucht. Robert Riener, Professor f¨¹r sensomotorische Systeme, will diese L¨¹cke nun schliessen. Zusammen mit Peter Achermann, der die Gruppe f¨¹r Chronobiologie und Schlafforschung an der Universit?t Z¨¹rich leitet, hat er spezielle Betten entwickelt, mit denen er den Zusammenhang zwischen Bewegung und Schlaf untersuchen will. Ein erstes Bett f¨¹hrt eine sanfte Pendelbewegung aus, ?hnlich wie eine Wiege. Das zweite schiebt die Schlafenden horizontal hin und her, wahlweise in Quer- oder L?ngsrichtung, oder hebt und senkt sich bei Bedarf auf und ab. Dass die Bewegungen klar getrennt werden, hat seine Gr¨¹nde, erkl?rt Riener: ?Wenn wir die drei Muster mischen, k?nnen wir den Zusammenhang weniger gut untersuchen. Und den Probanden wird es schneller ¨¹bel.?

Weich und ger?uschlos

Gegenw?rtig befinden sich die Betten in einer Testphase. Die Probanden werden im Schlaflabor mit Messsensoren ausger¨¹stet, die Auskunft ¨¹ber die Tiefe des Schlafes geben. Neben den Hirnstr?men messen die Forscher etwa die Atem- und Herzfrequenz. Anhand der Aufzeichnungen wollen sie herausfinden, wie sich die Bewegungen auf das Einschlafverhalten und die Schlafqualit?t auswirken. In einem n?chsten Schritt soll das jeweilige Bett dann direkt von den physiologischen Daten gesteuert werden. Sobald das Ger?t anhand der Hirnstr?me und Herzfrequenzen merkt, dass der Proband weniger tief schl?ft, versucht es, durch entsprechende Bewegungen ein Aufwachen zu verhindern. Gelingt dies, k?nnte das Menschen mit Schlafst?rungen zu einem tieferen und erholsameren Schlaf verhelfen. Auch andere Anwendungen kann sich Riener vorstellen: ?M?glicherweise wirken sich solche Bewegungen w?hrend des Schlafs auch bei Menschen g¨¹nstig aus, die an psychischen St?rungen leiden.?

F¨¹r Riener, der sich als Ingenieur seit Jahren mit der Entwicklung von medizinischen Apparaturen befasst, stellen sich aber auch verschiedene technische Fragen. So war etwa die Konstruktion des Betts eine nicht zu untersch?tzende Herausforderung. Die Motoren m¨¹ssen das Bett ¨C das zusammen mit dem Probanden ¨¹ber 100 Kilogramm schwer ist ¨C ohne das geringste Ruckeln bewegen und zudem praktisch ger?uschlos funktionieren, damit der Schlaf nicht durch diese Nebeneffekte gest?rt wird. Noch anspruchsvoller wird es sein, die Mechanik mit der menschlichen Physiologie zu koppeln. ?Die Tiefe des Schlafes ist ja keine Gr?sse, die man einfach so an einem klaren Wert festmachen kann?, meint Riener.

Die gezielte Abstimmung auf das Individuum spielt auch bei einem anderen Projekt des ETH-Ingenieurs eine zentrale Rolle: Mit seiner Gruppe entwickelt er eine aktive Prothese, mit der beinamputierte Patienten Bewegungen ausf¨¹hren k?nnen, die dem gesunden Bein nachempfunden sind. ?Die meisten Prothesen sind passive Ersatzorgane?, erl?utert Riener. ?Das ist bei unserem Modell anders: Das k¨¹nstliche Knie ist mit einem Motor ausger¨¹stet, mit dem der k¨¹nstliche Unterschenkel bewegt wird.?

Damit die Bewegungen noch besser dem nat¨¹rlichen Vorbild nachempfunden werden k?nnen, hat das Gelenk zus?tzlich mechanische Federn, die den Motor unterst¨¹tzen und vor pl?tzlichen St?ssen sch¨¹tzen. Die Betroffenen k?nnen mit der aktiven Prothese leichter Treppen steigen oder auf einer schiefen Ebene gehen. Und noch etwas anderes kann die Prothese: Sie ist mit Drucksensoren ausger¨¹stet, so dass der Patient jeweils ¨¹ber Elektroden, die am R¨¹cken befestigt sind, sp¨¹rt, wie stark er gerade auf dem Boden auftritt.

Der Mensch muss die Kontrolle behalten

Die gr?sste Herausforderung ist laut Riener auch bei diesem Ger?t die Interaktion mit dem Menschen. ?Die Prothese soll die Absichten des Patienten automatisch erkennen, damit der Patient sie wirklich wie ein gesundes Bein brauchen kann.? Im Moment funktioniert die Steuerung ¨¹ber Sensoren, die an den Kleidern des gesunden Beines angebracht sind. Anhand dieser Sensoren erkennt die Prothese, welche Bewegung der Patient ausf¨¹hren will. Diese automatische Anpassung ist nur m?glich, weil die Forscher raffinierte Regelungsalgorithmen verwenden, die den Motor schnell und flexibel ansteuern. Entscheidend ist, dass der Mensch die Kontrolle beh?lt. ?Die Prothese muss sich dem Menschen anpassen, nicht umgekehrt, sonst wird sie von den Patienten nicht akzeptiert?, h?lt Riener fest.

Auch die Knieprothese befindet sich zurzeit in einer Probephase. ?Unsere Apparatur ist eigentlich nur f¨¹r eine beschr?nkte Zielgruppe gedacht, n?mlich vor allem f¨¹r ?ltere Patienten?, erkl?rt Riener. Junge, kr?ftige Patienten h?tten viel weniger M¨¹he beim Treppensteigen und br?uchten daher ein solches Ger?t nicht unbedingt. Gerade das Beispiel der aktiven Prothese zeigt: Eine erfolgreiche Entwicklung derartiger Ger?te setzt eine enge Zusammenarbeit der Ingenieure mit ?rzten, Pflegenden und Patienten voraus. ?Als Ingenieur muss ich wissen, mit welchen Problemen Patienten in ihrem Alltag wirklich k?mpfen und wo Bedarf nach mechanischer Unterst¨¹tzung besteht?, meint Riener. ?Ansonsten entwickeln wir Ger?te, die niemand ben?tigt.?

An der Schnittstelle zwischen den Ingenieurswissenschaften und der Medizin hat auch Roger Gassert, Assistenzprofessor f¨¹r Rehabilitationstechnik, seine Projekte angesiedelt. ?hnlich wie Riener, der mit den Bewegungsrobotern ?Armin? und ?Lokomat? innovative Ger?te f¨¹r Schlaganfallpatienten entwickelt hat, besch?ftigt sich auch Gassert mit neuen Ans?tzen f¨¹r die Rehabilitation. Bei einem seiner Projekte konzentriert er sich bewusst auf die Hand. ?Es gibt bereits etliche Apparate, die die Bewegungen der Schultern, Ellbogen und Handgelenke unterst¨¹tzen?, erkl?rt der Ingenieur. ?Was jedoch noch weitgehend fehlt sind Roboter, die Handfunktionen trainieren.? Gerade das w?re f¨¹r Schlaganfallpatienten jedoch wichtig, haben diese doch in der Regel M¨¹he, ihre H?nde zu ?ffnen und Objekte zu ergreifen. Neben den motorischen F?higkeiten sind oft auch die sensorischen eingeschr?nkt. Die Patienten sp¨¹ren nicht mehr richtig, wie fest sie einen Gegenstand halten.

Gassert hat mit seinem Team einen Roboter entwickelt, der den Austausch zwischen Hand und Gehirn in beiden Richtungen f?rdert. Bei einer ?bung m¨¹ssen die Patienten mit den Fingern blind Holzkl?tzchen verschiedener L?nge ergreifen und dann anhand der Handstellung erkennen, um welches Kl?tzchen es sich handelt. Der von Gassert entwickelte Roboter simuliert diese ?bung: Die Patienten ergreifen die virtuellen Kl?tzchen, indem sie zwei bewegliche Griffe gegeneinanderdr¨¹cken. Der Roboter definiert ¨¹ber die Regelung, wie lange die Griffe frei bewegt werden k?nnen und ab welchem Punkt sie blockiert werden. Der Patient sp¨¹rt dann, wie gross die virtuellen Kl?tzchen sind.

Mit dem Roboter lassen sich die sensorischen F?higkeiten objektiv messen. ?Die Therapeuten haben im Alltag zwar ein gutes Gesp¨¹r, ob jemand Fortschritte macht. Aber wenn wir in diesem Fachbereich weiterkommen wollen, brauchen wir vermehrt objektive Messdaten?, ist Gassert ¨¹berzeugt. Gegenw?rtig wird das Ger?t in einer Rehabilitationsklinik im Tessin getestet. Die ersten Resultate stimmen zuversichtlich: Die Arbeit mit dem Therapieroboter scheint eine merkliche Verbesserung zu bringen, nicht zuletzt, weil sich mit dem Ger?t die Intensit?t der ?bung nach und nach steigern l?sst.

Schneiden, stechen, n?hen

In eine ganz andere Richtung zielt hingegen ein zweites Vorhaben, an dem Gassert zurzeit intensiv arbeitet. In einem EU-Projekt entwickelt er mit Forschenden anderer Universit?ten einen Operationsroboter, der sp?ter gewisse einfache Eingriffe autonom ausf¨¹hren soll. Damit sollen die ?rzte entlastet werden. ??hnlich wie bei der Steuerung eines Flugzeugs w¨¹rde der Mensch k¨¹nftig vor allem die komplexeren Phasen ¨¹bernehmen, w?hrend er bei den einfacheren Elementen die Maschine nur noch ¨¹berwachen muss?, erkl?rt Gassert. So weit sind die Wissenschaftler allerdings noch lange nicht: Im Moment bauen sie den ersten Prototypen. Funktioniert er wie vorgesehen, kann er drei Aufgaben ausf¨¹hren: Eine Gewebeprobe durch Punktionentnehmen, eine kleine Wunde zun?hen sowie Gewebe aus einer Wunde herausschneiden. Die Steuerung des Roboters verwendet dazu Daten, die vor und w?hrend des Eingriffs mit bildgebenden Verfahren erhoben werden. Dadurch kann die Maschine reagieren, wenn sich die Organe w?hrend des Eingriffs verschieben.

Konkret besteht der Operationsroboter aus zwei beweglichen ?H?nden?, die jeweils mit zwei ?Fingern? etwas ergreifen k?nnen. Die H?nde sind ¨¹ber bewegliche ?Arme? an einer drehbaren Platte befestigt, die wiederum an einem Schienensystem h?ngt. ?Die Konstruktion ist einem Arzt nachempfunden, der sich ¨¹ber den Patienten beugt?, erl?utert Gassert. Insgesamt verf¨¹gt die Apparatur ¨¹ber 18 Freiheitsgrade ¨C entsprechend hoch sind die Anforderungen an die Regelung.

Die Kraft richtig sp¨¹ren

Eine wesentliche Neuerung ist, dass das Ger?t mit Kraftsensoren ausger¨¹stet ist. Der Roboter kann w?hrend der Eingriffe erkennen, welche Kraft auf das Gewebe einwirkt. Dadurch lassen sich allf?llige Sch?den an den Organen vermeiden. Auch beim N?hen von Wunden durch den Arzt ist die Kraftmessung von Vorteil. Bei den heutigen Operationsrobotern sieht der Arzt zwar auf dem Bildschirm, dass der Faden angespannt ist. Doch wie stark er belastet ist, weiss er nicht.

Die verschiedenen Teile des Roboters, entwickelt an mehreren Universit?ten, wurden in diesem Herbst in Gasserts Labor zusammengebaut. ?Wir in Z¨¹rich haben uns auf die Entwicklung und die Regelung des Roboters konzentriert?, berichtet er. ?Die anderen Teams haben die Datenerfassung und -¨¹berwachung entwickelt.? L?uft alles nach Plan, werden die Ingenieure schon bald mit ?rzten des Universit?tsspitals Z¨¹rich an tierischen Organen die ersten Operationsschritte ¨¹ben. ?Bis der Roboter selbstst?ndig Eingriffe durchf¨¹hrt, werden noch einige Jahre vergehen?, d?mpft Gassert allzu hohe Erwartungen. ?Unter anderem m¨¹ssen wir noch einige Sicherheitsfragen kl?ren ¨C etwa, was mit den Patienten geschieht, wenn w?hrend der Operation ein unerwarteter Fehler auftritt.?